冷原子干涉仪空间应用研究论文

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1、冷原子干涉仪空间应用研究论文　　摘要原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏度.文章介绍了原子干涉仪的基本物理原理､国内外研究进展､原子干涉仪实现方案及其在精密测量和空间科学领域中的应用.　　关键词冷原子,原子干涉仪,惯性测量　　A,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizatio

2、nschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.　　Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement　　1引言　　波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子､中子､原子､分子冷原子干涉仪空间应用研究论文　　摘要原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很

3、高的灵敏度.文章介绍了原子干涉仪的基本物理原理､国内外研究进展､原子干涉仪实现方案及其在精密测量和空间科学领域中的应用.　　关键词冷原子,原子干涉仪,惯性测量　　A,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.　　Keywordscoldatom,atom

4、interferometers,gravitymeasurement　　1引言　　波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子､中子､原子､分子冷原子干涉仪空间应用研究论文　　摘要原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏度.文章介绍了原子干涉仪的基本物理原理､国内外研究进展､原子干涉仪实现方案及其在精密测量和空间科学领域中的应用.　　关键词冷原子,原子干涉仪,惯性

5、测量　　A,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.　　Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement　　1引言　　波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根

6、据量子理论,任何微观粒子(如电子､中子､原子､分子)都具有波粒二象性,微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述,服从薛定谔方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实现了脉冲式原子干涉仪以来[1],原子干涉仪在精密测量领域得到了广泛的应用,典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量[2,3],旋转速率测量和地球自转速率的测量[4,5,6],牛顿引力常数的测量[7—10]以及精细结构常数的测量[11]等.利用原子干涉仪验证等效性原理[12,13]以及原子干涉仪在空间应用已经引起关

7、注[14,15].　　原子干涉仪基于物质的波动特性,实质是对原子波包的相干操作.将原子波包相干地分束和合束后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径即产生干涉条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内禀特性,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到的灵敏度远高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波的薛定谔方程,可得到同等环路面积条件下,原子陀螺仪与光学陀螺仪灵敏度的比值为Rgyro=mc2hν

8、=λλdeBcv,(1)其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度,m是原子的质量,λdeB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λdeBλ,且υc,故在典型条件下,Rgyro~1010,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所以与激光干涉仪相比,原子干涉仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运动速度远慢于光速,因此在原